Выдыхаемые биомаркеры могут выявить заболевание легких
Инженеры MIT разработали способ мониторинга пневмонии или других заболеваний легких с помощью специализированных наночастиц, анализируя выдыхаемый пациентом воздух.
В исследовании на мышах ученые показали, что с помощью этой системы можно отслеживать бактериальную пневмонию, а также генетическое заболевание легких — дефицит альфа-1-антитрипсина.
«Мы предполагаем, что эта технология позволит вам вдохнуть сенсор, а затем выдохнуть летучий газ примерно через 10 минут, который сообщит о состоянии ваших легких и о том, работают ли принимаемые вами лекарства», — говорит Сангита Бхатия, профессор наук о здоровье и технологиях, электротехники и информатики.
Перед применением этого подхода у людей потребуются дополнительные испытания на безопасность, но в исследовании на мышах не наблюдалось признаков токсичности в легких.
Бхатия, также являющаяся членом Института интегративных исследований рака Коха и Института медицинской инженерии и науки MIT, — старший автор статьи, опубликованной в Nature Nanotechnology. Первый автор — постдок MIT Лесли Чан. Среди других авторов — аспирант MIT Мелоди Анаихтар, сотрудник MIT Lincoln Laboratory Та-Хсуан Онг, технический ассистент MIT Келси Херн и руководитель группы Roderick Kunz.
Мониторинг дыхания
В течение нескольких лет лаборатория Бхатии работала над наночастицами-сенсорами, которые можно использовать в качестве «синтетических биомаркеров». Эти маркеры представляют собой пептиды, не вырабатываемые организмом естественным путем, но высвобождаемые из наночастиц при встрече с ферментами — протеазами.
Пептиды, покрывающие наночастицы, можно настроить так, чтобы они расщеплялись разными протеазами, связанными с различными заболеваниями. Если пептид отщепляется от наночастицы протеазами в организме пациента, он позже выводится с мочой, где его можно обнаружить с помощью бумажной полоски, подобной тесту на беременность. Бхатия разработала такой тип анализа мочи для пневмонии, рака яичников, рака легких и других заболеваний.
Недавно она обратила внимание на создание биомаркеров, которые можно было бы обнаружить в выдыхаемом воздухе, а не в моче. Это позволит быстрее получать результаты тестов, а также избежать потенциальных трудностей с забором мочи у пациентов, которые могут быть обезвожены.
Исследователи поняли, что путем химической модификации пептидов, присоединенных к синтетическим наночастицам, они могут заставить частицы высвобождать газы — гидрофторамины, которые можно выдыхать. Ученые присоединили летучие молекулы к концу пептидов таким образом, что когда протеазы расщепляют пептиды, они высвобождаются в воздух в виде газа.
В сотрудничестве с Kunz и Ong из Lincoln Laboratory команда разработала метод обнаружения газа из дыхания с помощью масс-спектрометрии. Затем исследователи протестировали сенсоры на мышиных моделях двух заболеваний — бактериальной пневмонии, вызванной Pseudomonas aeruginosa, и дефицита альфа-1-антитрипсина. При обоих заболеваниях активированные иммунные клетки продуцируют протеазу нейтрофильную эластазу, которая вызывает воспаление.
Для обоих заболеваний исследователи показали, что могут обнаружить активность нейтрофильной эластазы примерно через 10 минут. В этих исследованиях использовались наночастицы, вводимые интратрахеально, но также ведется работа над версией, которую можно было бы вдыхать с помощью устройства, подобного ингаляторам для лечения астмы.
Умное обнаружение
Исследователи также продемонстрировали, что могут использовать свои сенсоры для мониторинга эффективности лекарственной терапии как пневмонии, так и дефицита альфа-1-антитрипсина. Лаборатория Бхатии сейчас работает над созданием новых устройств для обнаружения выдыхаемых сенсоров, которые сделают их использование более простым, потенциально позволяя пациентам использовать их дома.
«Сейчас мы используем масс-спектрометрию в качестве детектора, но в следующем поколении мы думаем о том, можно ли сделать умное зеркало, на которое можно дышать, или что-то вроде автомобильного алкотестера», — говорит Бхатия.
Ее лаборатория также работает над сенсорами, способными обнаруживать более одного типа протеазы одновременно. Такие сенсоры можно настроить на выявление протеаз, связанных с конкретными патогенами, включая, возможно, вирус SARS-CoV-2.